Teilentladungsmessung an Hochspannungskondensatoren aus Anpassnetzwerken der Hochfrequenzstationen des Linearbeschleunigers European XFEL

Abstract

Teilentladungen fungieren als Grundlage elektrischer Alterungsprozesse. Vermehrtes Auftreten von Teilentladungen kann daher zum beschleunigten Erreichen der Lebensdauer elektrischer Betriebsmittel führen. Bei adäquatem Verständnis der Messung von Teilentladungen sowie der Deutung der Messergebnisse kann beurteilt werden, wann ein Bauteil ausgetauscht werden muss, bevor es im Betrieb ausfällt. Im Umfang dieser Arbeit soll eine klassische Teilentladungsmessung nach IEC 60270, an mehreren Hochspannungskondensatoren vorgenommen werden. Auf Basis der Messergebnisse wird die Qualität von neuen Kondensatoren, Kondensatoren aus dem Lagerbestand und gealterten Kondensatoren analysiert. Gemessen wird zwischen den kurzgeschlossenen Elektroden des Kondensators und dem leitfähigen Gehäuse. Dies soll Aufschluss über Fertigungsfehler innerhalb des Isolationsmaterials und alterungsbedingte Schäden liefern. Mit Hilfe der Erkenntnisse soll eine noch bessere Absicherung des Beschleunigerbetriebs ermöglicht werden. Die Analyse der Messergebnisse hat gezeigt, dass Fehlstellen unterschiedlicher Beschaffenheit schon bei der Fertigung entstehen. Diese Fehlstellen führen bereits bei Spannungen von rund 20 Prozent der Betriebsspannung zum Auftreten von Teilentladungen. An den schon betriebenen Kondensatoren konnten deutlich teilentladungsbedingte Alterungsprozesse nachgewiesen werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Auftreten von Teilentladungen zur Ausbildung von Electrical Trees geführt hat. Die Bildung und die anschließende Vergrößerung dieser sogenannten Bäumchenstruktur bewirken eine stückweise Überbrückung der Isolationsstrecke, bis es zum vollständigen Durchschlagen der Gesamtisolationsstrecke kommt. Für eine Einschätzung der verbleibenden Restlebensdauer fehlen Erfahrungswerte, ohne jene die Messwerte nur wenig Aussagegehalt besitzen. Eine Restlebensdauerabschätzung ist erst umsetzbar, wenn einer der untersuchten Prüflinge im weiteren Betrieb ausfällt.

Partial discharges are the basis of electrical aging processes. The repetitive occurrence of partial discharge events may therefore lead to accelerated deterioration of electrical appliances. With adequate understanding of measurements of partial discharges as well as their interpretation it’s possible to predict when a component will need to be replaced before it fails in operation. This thesis focuses on the standard partial discharge measurement of multiple high voltage capacitors according to IEC 60270. The quality of new capacitors, those which have been stored for a while and used capacitors were analysed based on the measurement results. The measurements were taken between the short-circuited electrodes of the capacitor and its casing. This should offer valuable clues to aging and manufacturing defects inside the insulation materials. These insights should ensure a continuous runtime of the accelerator. The analysis of the measurement results showed defects of different constitution already occur during manufacturing. These defects lead to the occurrence of partial discharges at only around 20 percent of the operating voltage. Aging processes caused by partial discharges could clearly be proven on the already used capacitors. The results point to the formation of electrical trees due to the occurrence of partial discharges. The formation and the subsequent enlargement of these so-called tree structures cause a partial bridging of the insulation section and eventually a total breakdown of the entire insulation. Empirical value is missing for the accurate assessment of the remaining lifespan, without which the measurement results hold little significance. An assessment of the expectable remaining lifespan will only be possible when one of the examined units under test fails during future operation.